Установка соединения и его отмена

Соединение полностью определяется парой сокетов на своих концах. Локальный сокет может принимать участие во многих соединениях с различными чужими сокетами. Соединение можно использовать для передачи данных в обоих направлениях, иными словами, оно является "полностью дуплексным".

Протокол TCP произвольным образом связывает порты с процессами. Однако должны присутствовать общеизвестные сокеты, которые протокол TCP ассоциирует исключительно с "соответствующими им" процессами.

Соединение задается командой OPEN (открыть), сделанной с локального порта и имеющей аргументом чужой сокет. В ответ на такой запрос программа протокола TCP предоставляет имя локального соединения. По этому имени пользователь адресуется к данному соединению при последующих вызовах. Запрос OPEN указывает также, осуществляется ли соединение активным образом, или же происходит пассивное ожидание соединения извне.

Запрос на пассивное открытие соединения означает, что процесс ждет получения извне запросов на соединение, вместо того, чтобы пытаться самому установить его.

Процедура установки соединения использует флаг управления синхронизацией (SYN) и трижды обменивается сообщениями. Отмена соединения также включает обмен сегментами, несущими на этот раз управляющий флаг FIN. Пример работы с сокетами:

Управление вводом-выводом, драйверы. Алгоритм обработки прерываний обращений к устройствам.

Управление вводом-выводом

Одной из главных функций ОС является управление всеми устройствами ввода-вывода компьютера. ОС должна передавать устройствам команды, перехватывать прерывания и обрабатывать ошибки; она также должна обеспечивать интерфейс между устройствами и остальной частью системы.

Устройства ввода-вывода делятся на два типа: блок-ориентированные устройства и байт-ориентированные устройства. Блок-ориентированные устройства хранят информацию в блоках фиксированного размера, каждый из которых имеет свой собственный адрес. Самое распространенное блок-ориентированное устройство - диск. Байт-ориентированные устройства не адресуемы и не позволяют производить операцию поиска, они генерируют или потребляют последовательность байтов. Примерами являются терминалы, строчные принтеры, сетевые адаптеры. Однако некоторые внешние устройства не относятся ни к одному классу, например, часы, которые, с одной стороны, не адресуемы, а с другой стороны, не порождают потока байтов. Это устройство только выдает сигнал прерывания в некоторые моменты времени.

Организация программного обеспечения ввода-вывода

Основная идея организации программного обеспечения ввода-вывода состоит в разбиении его на несколько уровней, причем нижние уровни обеспечивают экранирование особенностей аппаратуры от верхних, а те, в свою очередь, обеспечивают удобный интерфейс для пользователей.

Ключевым принципом является независимость от устройств.

Вид программы не должен зависеть от того, читает ли она данные с гибкого диска или с жесткого диска.

важным вопросом для программного обеспечения ввода-вывода является обработка ошибок, использование блокирующих (синхронных) и неблокирующих (асинхронных) передач, одни устройства являются разделяемыми, а другие - выделенными.

Для решения поставленных проблем целесообразно разделить программное обеспечение ввода-вывода на четыре слоя: 1. Обработка прерываний, 2. Драйверы устройств, 3. Независимый от устройств слой операционной системы, 4. Пользовательский слой программного обеспечения.

Обработка прерываний

Прерывания должны быть скрыты как можно глубже в недрах операционной системы, чтобы как можно меньшая часть ОС имела с ними дело. Наилучший способ состоит в разрешении процессу, инициировавшему операцию ввода-вывода, блокировать себя до завершения операции и наступления прерывания. Процесс может блокировать себя, используя, например, вызов DOWN для семафора, или вызов WAIT для переменной условия, или вызов RECEIVE для ожидания сообщения. При наступлении прерывания процедура обработки прерывания выполняет разблокирование процесса, инициировавшего операцию ввода-вывода, используя вызовы UP, SIGNAL или посылая процессу сообщение. В любом случае эффект от прерывания будет состоять в том, что ранее заблокированный процесс теперь продолжит свое выполнение.

Драйверы устройств

Весь зависимый от устройства код помещается в драйвер устройства. Драйвер устройства принимает запрос от устройств программного слоя и решает, как его выполнить. Типичным запросом является чтение n блоков данных. Если драйвер был свободен во время поступления запроса, то он начинает выполнять запрос немедленно. Если же он был занят обслуживанием другого запроса, то вновь поступивший запрос присоединяется к очереди уже имеющихся запросов, и он будет выполнен, когда наступит его очередь.

Блочные драйверы предназначаются для обслуживания внешних устройств с блочной структурой (магнитных дисков, лент и т.д.) и отличаются от прочих тем, что они разрабатываются и выполняются с использованием системной буферизации. Другими словами, такие драйверы всегда работают через системный буферный пул.

Символьные драйверы главным образом предназначены для обслуживания устройств, обмены с которыми выполняются посимвольно, либо строками символов переменного размера.

Спецификой потоковых драйверов является то, что большая часть программного кода не зависит от особенностей аппаратного устройства.

5. Диспетчеризация процессов. Алгоритмы планирования.

Для того чтобы операционная система могла управлять процессами, она должна располагать всей необходимой для этого информацией. С этой целью на каждый процесс заводится структура, называемая дескриптором процесса (описатель задач). Дескриптор процесса содержит приоритет процесса, в соответствии с которым супервизор предоставляет ресурсы. В одном классе процессов в первую очередь обслуживаются более приоритетные. Дескрипторы обычно постоянно располагаются в оперативной памяти с целью ускорить работу супервизора, который организует их в списки (очереди) и отображает изменение состояния процесса перемещением соответствующего описателя из одного списка в другой. Для каждого состояния операционная система ведет соответствующий список задач, находящихся в этом состоянии. Поскольку дескрипторы процессов постоянно располагаются в оперативной памяти (с целью ускорить работу диспетчера), то их количество не должно быть очень большим.

Дисциплины диспетчеризации

Известно большое количество правил (дисциплин диспетчеризации), в соответствии с которыми формируется список (очередь) готовых к выполнению задач. Различают два больших класса дисциплин обслуживания — бесприоритетные и приоритетные. При бесприоритетном обслуживании выбор задачи производится в некотором заранее установленном порядке без учета их относительной важности и времени обслуживания. При реализации приоритетных дисциплин обслуживания отдельным задачам предоставляется преимущественное право попасть в состояние исполнения. Диспетчеризация с динамическими приоритетами требует расходов на вычисление значений приоритетов, поэтому во многих ОС реального времени используются методы диспетчеризации на основе статических приоритетов.

Некоторые основные дисциплины диспетчеризации: дисциплина FCFS (first come — first served), задачи обслуживаются «в порядке очереди» Образуются две очереди: одна образуется из новых задач, а вторая— из ранее выполнявшихся, но попавших в состояние ожидание.

Дисциплина SJN (shortest job next) требует, чтобы для каждого задания была известна оценка в потребностях машинного времени. предполагает, что имеется только одна очередь заданий, готовых к выполнению. И задания, которые в процессе своего исполнения были временно заблокированы, вновь попадают в конец очереди. Это приводит к тому, что задания, которым требуется очень немного времени для своего завершения, вынуждены ожидать процессор наравне с длительными работами, что не всегда хорошо.Для устранения этого недостатка предложена дисциплина SRT (shortest remaining time, следующее задание требует меньше всего времени для своего завершения).

дисциплина RR (round robin, круговая, карусельная) и приоритетные методы обслуживания предполагает, что каждая задача получает процессорное время порциями (говорят: квантами времени, q). После окончания кванта времени q задача снимается с процессора и он передается следующей задаче. Снятая задача ставится в конец очереди задач, готовых к выполнению

Диспетчеризация без перераспределения процессорного времени, то есть невытесняющая многозадачность (non-preemptive multitasking) — это такой способ диспетчеризации процессов, при котором активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам не отдаст управление диспетчеру задач для выбора из очереди другого, готового к выполнению процесса или треда. Дисциплины обслуживания FCFS, SJN, SRT относятся к не вытесняющим.

Диспетчеризация с перераспределением процессорного времени между задачами, то есть вытесняющая многозадачность (preemptive multitasking) — это такой способ, при котором решение о переключении процессора с выполнения одного процесса на выполнение другого процесса принимается диспетчером задач, а не самой активной задачей. При вытесняющей многозадачности механизм диспетчеризации задач целиком сосредоточен в операционной системе. Дисциплина RR и многие другие, построенные на ее основе, относятся к вытесняющим.

Доступ любой задачи к центральному процессу осуществляется через системные программы планировщика, диспетчера. Планирование это организация процессов в некоторую последовательность. Планировщик – программа ответственная за постановку процессов в очередь. Диспетчер – это программа, которая выбирает процесс из очереди, переводит его в активное состояние.

Планирование процессов включает в себя решение следующих основных задач:

1) Определение момента времени для смены определяемого процесса;

2) Вывод процесса на выполнения из очереди готовых процессов;

3) Переключение контекстов в процессы;

Первые две задачи решаются программными средствами, последняя – незначительной степени аппарата. Существует множество различных алгоритмов планирования процессов, рассмотрим подробнее две группы, наиболее чаще встречающихся алгоритмов:

1) Алгоритмы, основанные на квантование;

2) Алгоритмы, основанные на приоритетах.

В соответствие с алгоритмами основанные на квантование, смена активного процесса происходит если:

1) Исчерпан квант процессорного времени;

2) Процесс завершился и покинул систему;

3) Процесс перешел в состояние ожидания;

4) Произошла ошибка.

Процесс, который исчерпал свой квант, переводится в состояние готовность и ожидает, когда ему будет предоставлен новый квант процессорного времени. На дополнение в соответствие с определенными правилами выбирается новый процесс из очереди готовых, таким образом, не один процесс не занимает процессор на долго. Поэтому квантование широко используется в современной ОС.